هل يستطيع العلماء اكتشاف الحياة دون معرفة شكلها؟ يقدم البحث باستخدام التعلم الآلي طريقة جديدة

عندما فتح علماء ناسا علبة إرجاع العينة من مهمة عينة الكويكب OSIRIS-REx في أواخر عام 2023، وجدوا شيئًا مذهلاً.

يحتوي الغبار والصخور التي تم جمعها من الكويكب بينو على العديد من العناصر الأساسية للحياة، بما في ذلك جميع القواعد النووية الخمس المستخدمة في الحمض النووي والحمض النووي الريبي (DNA)، و14 من الأحماض الأمينية العشرين الموجودة في البروتينات، ومجموعة غنية من الجزيئات العضوية الأخرى. وهي مبنية بشكل أساسي من الكربون والهيدروجين، وغالباً ما تشكل العمود الفقري لكيمياء الحياة.

لعقود من الزمن، توقع العلماء أن الكويكبات المبكرة ربما تكون قد أوصلت مكونات الحياة إلى الأرض، وبدت هذه النتائج بمثابة أدلة واعدة.

والأكثر إثارة للدهشة هو أن هذه الأحماض الأمينية من بينو تم تقسيمها بالتساوي تقريبًا بين الشكلين “الأعسر” و”اليد اليمنى”. تأتي الأحماض الأمينية في شكلين متطابقين، تمامًا مثل أيدينا اليسرى واليمنى، وتسمى الأشكال اللولبية.

على الأرض، يتطلب كل علم الأحياء تقريبًا الإصدارات التي تستخدم اليد اليسرى. لو وجد العلماء وجود فائض قوي في اليد اليسرى في بينو، لكان من الممكن أن يقترحوا أن عدم التماثل الجزيئي للحياة ربما يكون موروثًا مباشرة من الفضاء. وبدلا من ذلك، يشير الخليط شبه المتساوي إلى قصة مختلفة: من المرجح أن تفضيل الحياة لليد اليسرى ظهر لاحقا، من خلال العمليات على الأرض، بدلا من أن يكون مطبوعا مسبقا في المواد التي تنقلها الكويكبات.

إذا كانت الصخور الفضائية قادرة على حمل مكونات مألوفة ولكن ليس “التوقيع” الكيميائي الذي تتركه الحياة وراءها، فإن تحديد العلامات الحقيقية لعلم الأحياء يصبح معقدًا للغاية.

تثير هذه الاكتشافات سؤالًا أعمق – سؤال يصبح أكثر إلحاحًا مع استهداف البعثات الجديدة لكوكب المريخ وأقماره وعوالم المحيطات في نظامنا الشمسي: كيف يكتشف الباحثون الحياة عندما تبدأ الكيمياء وحدها في الظهور وكأنها “حيوية”؟ إذا كانت المواد غير الحية قادرة على إنتاج مخاليط غنية ومنظمة من الجزيئات العضوية، فإن العلامات التقليدية التي نستخدمها للتعرف على علم الأحياء قد لا تكون كافية.

باعتباري عالمًا حسابيًا يدرس التوقيعات البيولوجية، أواجه هذا التحدي بشكل مباشر. في عملي في علم الأحياء الفلكي، أسأل عن كيفية تحديد ما إذا كانت مجموعة من الجزيئات قد تشكلت بواسطة كيمياء جيوكيميائية معقدة أو بواسطة بيولوجيا خارج كوكب الأرض، عند استكشاف الكواكب الأخرى.

في دراسة جديدة نشرت في مجلة PNAS Nexus، قمت أنا وزملائي بتطوير إطار عمل يسمى LifeTracer للمساعدة في الإجابة على هذا السؤال. فبدلاً من البحث عن جزيء واحد أو بنية واحدة تثبت وجود علم الأحياء، حاولنا تصنيف مدى احتمال احتواء خليط من المركبات المحفوظة في الصخور والنيازك على آثار للحياة من خلال فحص الأنماط الكيميائية الكاملة التي تحتوي عليها.

تحديد البصمات الحيوية المحتملة

الفكرة الرئيسية وراء إطار عملنا هي أن الحياة تنتج جزيئات ذات غرض، في حين أن الكيمياء غير الحية لا تفعل ذلك. يجب على الخلايا تخزين الطاقة وبناء الأغشية ونقل المعلومات. الكيمياء اللاأحيائية التي تنتجها العمليات الكيميائية غير الحية، حتى عندما تكون وفيرة، تتبع قواعد مختلفة لأنها لا تتشكل عن طريق التمثيل الغذائي أو التطور.

تركز مناهج التوقيع الحيوي التقليدية على البحث عن مركبات محددة، مثل بعض الأحماض الأمينية أو الهياكل الدهنية، أو عن التفضيلات اللولبية، مثل استخدام اليد اليسرى.

يمكن أن تكون هذه الإشارات قوية، لكنها تعتمد بالكامل على الأنماط الجزيئية التي تستخدمها الحياة على الأرض. إذا افترضنا أن الحياة الفضائية تستخدم نفس الكيمياء، فإننا نجازف بفقدان علم الأحياء المشابه ــ ولكن ليس المطابق ــ لكائناتنا، أو نخطئ في تعريف الكيمياء غير الحية باعتبارها علامة على الحياة.

تسلط نتائج بينو الضوء على هذه المشكلة. تحتوي عينة الكويكب على جزيئات مألوفة للحياة، ولكن يبدو أنه لا يوجد شيء حي بداخلها.

ولتقليل مخاطر افتراض أن هذه الجزيئات تشير إلى وجود حياة، قمنا بتجميع مجموعة بيانات فريدة من المواد العضوية الموجودة على الخط الفاصل بين الحياة واللاحياة. استخدمنا عينات من ثمانية نيازك غنية بالكربون، والتي تحافظ على الكيمياء اللاأحيائية من النظام الشمسي المبكر، بالإضافة إلى 10 عينات من التربة والمواد الرسوبية من الأرض، والتي تحتوي على بقايا جزيئات بيولوجية متحللة من الحياة الماضية أو الحالية. وكانت كل عينة تحتوي على عشرات الآلاف من الجزيئات العضوية، العديد منها موجود بكميات قليلة، والعديد منها لا يمكن تحديد بنيتها بشكل كامل.

في مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا، قام فريقنا من العلماء بسحق كل عينة وإضافة المذيبات إليها وتسخينها لاستخلاص المواد العضوية، وهذه العملية تشبه عملية تخمير الشاي. بعد ذلك، أخذنا “الشاي” الذي يحتوي على المواد العضوية المستخرجة وقمنا بتمريره من خلال عمودين للتصفية يفصلان الخليط المعقد من الجزيئات العضوية. بعد ذلك، تم دفع المواد العضوية إلى غرفة حيث قمنا بقصفها بالإلكترونات حتى تنقسم إلى أجزاء أصغر.

تقليديًا، يستخدم الكيميائيون هذه الأجزاء الكتلية كقطع ألغاز لإعادة بناء كل بنية جزيئية، لكن وجود عشرات الآلاف من المركبات في كل عينة يمثل تحديًا.

LifeTracer

يعد LifeTracer أسلوبًا فريدًا لتحليل البيانات: فهو يعمل عن طريق أخذ قطع اللغز المجزأة وتحليلها للعثور على أنماط محددة، بدلاً من إعادة بناء كل بنية.

ويميز قطع اللغز هذه بكتلتها وخاصيتين كيميائيتين أخريين، ثم ينظمها في مصفوفة كبيرة تصف مجموعة الجزيئات الموجودة في كل عينة. ثم يقوم بعد ذلك بتدريب نموذج التعلم الآلي للتمييز بين النيازك والمواد الأرضية من سطح الأرض، بناءً على نوع الجزيئات الموجودة في كل منها.

يُطلق على أحد أكثر أشكال التعلم الآلي شيوعًا اسم التعلم الخاضع للإشراف. إنه يعمل عن طريق أخذ العديد من أزواج الإدخال والإخراج كأمثلة ويتعلم قاعدة للانتقال من الإدخال إلى الإخراج. حتى مع وجود 18 عينة فقط في تلك الأمثلة، كان أداء LifeTracer جيدًا بشكل ملحوظ. لقد فصل باستمرار الأصول اللاأحيائية عن الأصول الحيوية.

ما يهم أكثر بالنسبة إلى LifeTracer لم يكن وجود جزيء محدد، بل التوزيع العام للبصمات الكيميائية الموجودة في كل عينة. تميل عينات النيزك إلى احتواء المزيد من المركبات المتطايرة – فهي تتبخر أو تتفكك بسهولة أكبر – مما يعكس نوع الكيمياء الأكثر شيوعًا في البيئة الباردة للفضاء.

وكانت بعض أنواع الجزيئات، التي تسمى الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات، موجودة في كلا المجموعتين، ولكن كانت لديها اختلافات هيكلية مميزة يمكن للنموذج تحليلها. ظهر مركب يحتوي على الكبريت، 1،2،4-تريثيولان، كعلامة قوية للعينات اللاأحيائية، في حين احتوت المواد الأرضية على منتجات تشكلت من خلال عملية بيولوجية.

تشير هذه الاكتشافات إلى أن التناقض بين الحياة واللاحياة لا يتم تحديده من خلال دليل كيميائي واحد، ولكن من خلال كيفية تنظيم مجموعة كاملة من الجزيئات العضوية. من خلال التركيز على الأنماط بدلًا من الافتراضات حول الجزيئات التي “يجب” أن تستخدمها الحياة، تفتح أساليب مثل LifeTracer إمكانيات جديدة لتقييم العينات التي تم إرجاعها من المهمات إلى المريخ وقمره فوبوس وديموس، وقمر المشتري يوروبا، وقمر زحل إنسيلادوس.

ومن المرجح أن تحتوي العينات المستقبلية على خليط من المواد العضوية من مصادر متعددة، بعضها بيولوجي وبعضها الآخر ليس كذلك. فبدلاً من الاعتماد فقط على عدد قليل من الجزيئات المألوفة، يمكننا الآن تقييم ما إذا كان المشهد الكيميائي بأكمله يشبه البيولوجيا أو الكيمياء الجيولوجية العشوائية.

LifeTracer ليس كاشفًا عالميًا للحياة. بل إنه يوفر أساسًا لتفسير الخلائط العضوية المعقدة. تذكرنا نتائج بينو بأن الكيمياء الصديقة للحياة قد تكون منتشرة على نطاق واسع في جميع أنحاء النظام الشمسي، ولكن هذه الكيمياء وحدها لا تساوي علم الأحياء.

لمعرفة الفرق، سيحتاج العلماء إلى جميع الأدوات التي يمكننا صنعها – ليس فقط مركبات وأدوات فضائية أفضل، ولكن أيضًا طرقًا أكثر ذكاءً لقراءة القصص المكتوبة في الجزيئات التي يجلبونها إلى الوطن.

تم إعادة نشر هذا المقال من The Conversation، وهي منظمة إخبارية مستقلة غير ربحية تقدم لك حقائق وتحليلات جديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. بقلم: أمير علي آغازاده، معهد جورجيا للتكنولوجيا

اقرأ المزيد:

أميرعلي آغازاده يتلقى تمويلًا من شركة Georgia Tech.